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农机上运用GPS的经济效益论文
美国Trimble公司生产的Autopilot自动导航系统简介
目前，在黑龙江省垦区应用的GPS自动导航系统有美国天宝、迪尔绿色之星、瑞农和瑞士徕卡等品牌产品，美国天宝产品市场占有量最大。下面以美国Trimble（天宝）GPS自动导航系统为例，将产品使用与推广情况进行简述。2005年，宝泉岭农场建立1个GPS地面RTK差分站，差分信号传输采用电台发射方式，辐射半径为20～30km，定位精度为2.5cm，完全可以满足农业生产需要。农场在凯斯STX-500型拖拉机上安装1套美国Trimble公司生产的Autopilot自动导航系统进行试验，应用效果较好；2010年，又购进2套，分别安装在凯斯-195型拖拉机和迪尔-7820型拖拉机上；2011年，又购进17台，其中安装在进口拖拉机上6台（3台凯斯-210型拖拉机、1台凯斯-190型拖拉机和2台迪尔-7830型拖拉机），安装在国产迪尔-1204型拖拉机上11台，基站差分信号传输采用网络传输方式；2012年又购进15台，分别安装在国产东方红、迪尔73.5-88.2kW拖拉机上。
中文彩色显示器由GPS接收机、导航控制器、GPS卫星天线、方向传感器和液压控制器等组成。系统中，导航控制器中的惯性导航设备用于T3地形自动补偿技术。天线：接收卫星信号。通信模块：接收服务器输出的高精度差分信号。光靶DE500：实时处理天线接收到的卫星信号和通信模块接收到的差分信号，解算出±2.5cm的高精度坐标，并将高精度坐标数据传输给NAV2控制器。方向传感器：实时感应拖拉机的转向方向和转向角度的大小NAV2控制器：实时接收方向传感器的转向信号和光靶的位置信号，依据自身独有的T3补偿技术，向液压阀发出拖拉机的实时转向命令。液压阀：实时接收NAV2控制器发出的控制信号，并将控制信号转换为液压油信号，实时控制液压油的流量和流向，从而控制拖拉机转向。
RTK地面基站差分信号传输方式：模块网络传输方式；作业精度：与RTK地面基站配套使用，作业精度±2.5cm；作业温度：-25～55℃；配套机械：进口、国产88.20～404.25kW闭心液压系统拖拉机；显示语言：简体中文（支持多语言）数据管理：提供数据管理、地图显示、自动存储、自动生成作业报告；显示器类型：17.8cm彩色显示器、接收机、显示器、控制系统一体化；导航模式：AB直线、A+直线、轴点导航、平行曲线、地头导航、多地头导航、自适应曲线、自由导航。
美国TrimbleAutopilot自动驾驶系统操作
步骤驾驶员在日常使用中只需要开机进入界面后，设置作业幅宽、设置AB直线、自动驾驶4个步骤，中文界面，操作简单，使用方便。打开自动驾驶系统开关，等待卫星图标变绿后开始操作。点击OK按钮开始一个新的地块或者选择原有的地块。有多种作业模式，一般都采用第一种AB直线导航模式（StraightAB），从地头开始直线到地的另一头，来回往复作业模式。点击OK按钮后，屏幕进入农具宽度设置界面，使用上下三角符号按钮，增减作业幅宽，最后按OK按钮确定。点击OK按钮后进入起点A的设置，把拖拉机开到地块地边较长的一侧地头停车，当看到右边工具条上的光标处于A字母上，然后按OK键即可将A点记录下来，记录之后屏幕中会显示A字母。把农具升起后，接着把车开到地的另一头停下来，这时光标处于B字母上，点击OK键将B点记录下来，记录之后屏幕中会显示B字母，这时AB直线已经生成。AB直线是由AB两点连接生成的，在设置AB直线时，A点设置完成后，再从A点到B时，与实际行走的过程没有关系。以AB为起始直线，直线是无限延伸的；其左右各有平行直线1000条。左侧以L1、L2及L3等表示，右侧以R1、R2及R3等表示；直线之间的间距为作业的幅宽。在地头把拖拉机调过头，进入下一个作业堑。在转弯过程中，下一个直线（L1或R1）会自动显示出来。进入AB线的范围内会显示三角形符号代表当前的位置，拖拉机摆正方向后。这时自动驾驶按钮变为黄色，代表当前位置的三角符号也变为黄色，说明可以进行自动驾驶了，按自动驾驶按钮即可。自动驾驶实现后，自动驾驶按钮与三角符号均变为绿色。这时，已达到完全自动驾驶了，驾驶员的双手完全可以离开方向盘了。当驾驶员用手转动方向盘时，自动驾驶模式会自动退出。在自动驾驶时，切记注意安全。自动驾驶可以使用倒档方向向后自动驾驶。
在实际作业过程中，导航模式多选择为“直线AB”。设置A点和B点时，请根据田块形状，适当取点，充分提高土地利用率。导航模式多选择为“直线AB”，一定要选地头手动转弯，能及时避让地头障碍物及排水沟，实现安全生产。在创建新的田块时，一定要将田块名修改为用户自己能对应上的名称，以备下一个作业环节使用。在实际作业过程中，驾驶员不用操控拖拉机的方向盘，但驾驶员的注意力一定得保持集中，时刻注意田块中电线杆、水井等的障碍物。
在拖拉机上安装GPS自动导航系统应用
情况安装GPS自动导航系统的拖拉机可进行整地、播种、撒肥、喷雾、中耕和起垄等多项作业，通过应用，主要表现出以下几个方面的优点：可提高田间作业标准。宝泉岭农场28、9、25作业站播种作业直线作业百米弯曲度小于5cm，作业往复结合线在2cm以内。在9、33、24、23作业站起大垄和播种作业，经检测，作业往复结合线在2cm以内。因此，作业中减少重耕和漏耕，实现节本降耗，并提高了土地的利用率。可提高现有机械的利用率。起大垄作业后，不同功率拖拉机可配套2、4、6、8、9及12行播种机进行垄卡种，由于垄距标准，大大降低了田间管理伤苗率，3、4、6行玉米收割机以及凯斯2388、迪尔9660型等进口大型可实现8行玉米对行收获，减少收获损失，提高作业效率，也对下年的原垄卡种提供了方便条件。GPS导航作业被种植户认可，出现种植户排队等车作业的局面。可提高机械作业效率。在直线作业中取消划印器，减少作业中升降划印器的辅助时间，并可以在夜间、雾天、高灰尘的条件下作业，延长作业时间。没有安装自动导航系统的拖拉机在夜间、雾天或高灰尘的条件下作业将无法作业。作业时，可间隔一个作业幅宽进行套耕，能减少入堑转弯的时间，延长有效作业时间。在同等作业条件下，作业效率可提高15%以上。在抗灾抢种昼夜播种作业中发挥的作用更这突显。减轻驾驶员的劳动强度。拖拉机驾驶员在进入作业堑，实现自动驾驶后，双手可离开方向盘，驾驶员精神始终处于放松状态，在地头转弯时也不需要升降划印器，减轻了驾驶员的劳动强度，使驾驶员更有精力对拖拉机和配套农具进行维护保养，使农机具始终保持良好的技术状态，为提高田间作业标准和作业效率提供了可靠的机械保证，也避免了因疲劳驾驶而引发的农机事故。可缓解一线高水平驾驶员匮乏与田间作业标准高的矛盾。由于安装GPS自动导航系统的拖拉机在作业时，入堑后，拖拉机就进入自动驾驶状态，自动实现高标准直线作业。自动驾驶作业时，因不用驾驶员把方向盘，将播种、起垄和中耕等要求操作技术水平较高的作业变得简单容易操作了，因此，可降低对驾驶员操作水平的要求。从而，也缓解一线高水平驾驶员匮乏与田间作业标准要求高的矛盾。2010年9月14日，宝泉岭管理局在宝泉岭农场第9作业站举办的GPS导航应用现场会，一个刚驾驶大功率拖拉机不久的驾驶员，驾驶安装GPS导航系统的迪尔-7820型拖拉机与管理局各农场选派的高水平驾驶员进行起垄大比武，他非常轻松地胜出了。提供多种信息方便用户。可显示地块的经度、纬度、作业速度，已经作业过地块的作业面积，可以记录已经作业过地块的信息，为下一个作业环节自动驾驶作业使用。
经济效益分析
以1台国产安装GPS导航系统迪尔-1204型拖拉机为例，进行经济效益分析。2011年秋起大垄350hm2（5250亩），2012年在开春秋起大垄150hm2（2250亩）。可在夜间进行抢起大垄作业，每天增加20hm2的作业面积，每年可增加200hm2起大垄作业面积，增加收入3万元。与进口精量播种机配套，可在夜间进行抢播种，延长作业时间，每年可增加播种面积200hm2，可增加收入4.8万元。可提高机械作业效率。耙地作业减少重耙和漏耙，在9作业站耙地作业，偏置耙1BY-7.0型圆盘耙的额定作业幅宽为7m，带GPS导航作业幅宽可增加0.4m，增加效率5%，每天可增收入325万元，每年可增收0.325万元。可减少支出驾驶员工资支出。一个水平较高的驾驶员一年工资1.8万元，通过GPS导航驾驶拖拉机，一般驾驶水平的驾驶员可做出高标准的田间作业，用一般驾驶水平的驾驶员工资可节省支出0.3万元。成本合算。1台安装GPS导航国产迪尔1204拖拉机每年可增加直接收入合计8.425万元。1台GPS自动导航设备价值11.6万元/台，国家补贴3万元/台，农场补贴2万元/台，个人自筹6.6万元，购机户当年就可收回投资。提高土地利用率。在播种作业中，减少往复结合线宽度，提高了土地的利用率3.76%，增加收入214元/hm2。1台6行进口播种机每年可播种350hm2，可为种植户增加收入7.5万元。节本增效。1台安装GPS导航拖拉机每年机械户可增加机械费收入和种植户收入合计15.925万元。宝泉岭农场现有GPS自动导航设备35台，每年可加收入557.38多万元。
有待解决的问题及建议
RTK地面基站差分信号传输方式有2种，一是通过模块网络传输模式。车载设备中有一个模块，可安装2个电话流量卡，一个是中国电信集团公司的，另一个是中国移动通信集团公司的。其优点是受地理环境影响较小，辐射半径在30~40km左右，传输范围较大。缺点是由于传输环节较多，受网络、电信设备和技术的影响，差分信号传输不够稳定，信号有少量延迟，在作业时有时会出现短时间掉线，影响作业的情况。二种是电台传输模式。其特点是信号强度高，信号无延时，信号覆盖区域内几乎不掉线。缺点是电台发射信号覆盖范围相对较小，覆盖半径在20~30km内，由于受到建筑物、山及树等物理遮挡，会出现盲区死角，在盲区死角内，收不到信号。建议经销商与通讯公司合作，传输方式需要在设备上和技术上进行改进，网络传输和电台发射两种传输方式并用，取长补短，以保证车载GPS自动导航设备能接收到一个稳定的差分信号。
目前GPS自动导航设备市场有待于规范，代理商较多，不同的代理商所代理的GPS导航设备的基站差分协议是不同的，差分信号不能通用，也就是1个代理商、1个品牌就得设1个RTK地面差分基站，造成重复投资，给用户造成使用不便。建议有关部门进行规范管理，将代理商代理的各种GPS导航产品之间能将差分协议统一起来，不同代理商、不同品牌的产品可以使用一个基站，方便用户，减少不必要的投资。（3）GPS自动导航技术在黑龙江垦区得到大力推广和应用，建议采取联网的方式解决差分信号传输不稳定和盲区的问题。分3步走，第1步先以管理局为单位，差分信号以各农场基站为节点进行联网，实现各农场之间漫游，差分信号覆盖全管理局，以解决局部差分信号弱的地区经常出现掉线，影响正常作业的问题。第2步技术成熟后，在黑龙江垦区内进行联网，第3步积累成功经验后拓展到全国联网。
结论
实践证明，虽然GPS导航差分信号的传输与覆盖还有待于完善，但在农用拖拉机上应用GPS自动导航系统，表现出操作简单，使用方便的特点。可提高田间作业质量和作业效率，减轻驾驶员劳动强度，缓解一线缺少驾驶操作技术水平高的驾驶员的矛盾，投资回收快，可创造较好的经济效益。该系统设备已由只能在国外进口拖拉机上使用，从2011年开始转向国产73.5～88.2kW拖拉机安装使用。今后，随着现代化大农业发展步伐的加快和系统设备国产化率的提高，产品的价格将会大幅度下降，差分信号传输技术的成熟，也将带来国产拖拉机使用范围的扩大，还可拓展到水稻进口高性能插秧机上应用，为此，GPS自动导航技术在黑龙江垦区乃至全国都有极大的推广应用价值和广阔的市场前景。
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